|
現代觀念的智能電網由高效、可靠、隨時保持有效的配電網絡組成。為了達到這些目標，電網必須支持配電資源管理，例如太陽能和風能發電，據此，新型電氣設備能夠獲得所需的新能源，例如，大量的電動汽車或現代化家電便利設施。由于人們對電網的依賴性非常大，所以正常運行時間成為關鍵，電網必須7x24小時不間斷、高效運行。任何機械系統常見的、甚至是最普通的系統故障和缺陷都是不可容忍的。所以智能電網必須自動檢測系統故障，然后快速隔離，以便快速修復。 實現這一愿景的關鍵是數據：高精度和動態可用性。全球范圍的供電公司都采用智能電網設備，此類設備提供關于動態變化負荷的高精度、隨時間變化的信息。為精確收集此類電力數據，必須同時采集所有電力線的電壓和電流數據，供電公司即可了解不同相之間的時序，確保電網的正常運行時間。最關鍵的應用是測量三相功率，要求每條線路有多路時間對齊的模擬輸入，用于測量電壓和電流。 本文回顧三相系統的功率測量要求，然后介紹稱為Petaluma的新型子系統參考設計，該設計監測智能電網，同時收集三相模擬數據。Petaluma為更加智能的電網數據管理提供了保證。 三相電功率測量基礎知識 三相電力系統承載頻率相同的三相交流電(AC)，各相之間彼此相位差120°。圖1所示為三相電壓波形，圖2所示為配置為4線Y型或星型連接的三個單相。3線Y型連接與沒有零線的4線連接完全相同。零線(圖2中黑色線)連接至Y型配置系統的中心點，供不平衡負載使用。如果負載恰好平衡，意味著各相電流相同，相電流彼此抵消，零線中沒有電流。因此，3線連接常用于平衡負載。顯而易見，線越少，消耗的銅纜就越少，系統成本越低、也更經濟。 圖1.三相電波形。三相均為交流電(AC)，頻率相同，各相之間彼此相位差為120°。 圖2.4線Y型配置。負載不平衡時，使用零線(黑色)。 功率是負載上電壓和電流的乘積。功率計包括電流表和電壓表，一起測量電力線上的功率。對于三相三線系統，測量總功耗至少需要兩個功率計，如圖3所示。總功率為兩個功率計的瓦特數之和。 圖3.3線Y型系統負載。總功率為兩個功率計的瓦特數之和。 在這里，我們有必要對圖3中的電路進行簡要分析。以三相負載的中心點作為0V參考點。則： 因此： 現在，我們需要稍做修改。然而，僅使用兩個功率計，是不能計算每相功率的；如圖4所示，測量每相的功率基本要求三個功率計，每相一個，此時將零線用作地參考點。對于負載不平衡的4線三相系統，零線中有電流。盡管可對全部三相電流進行求和，從而計算得到通過零線的電流，但額外增加一個電流表來測量零線的電流更簡單。此外，在發生電流故障時，這種方法提供的數據更有效。 圖4.采用7路模擬輸入的三相功率測量配置 如圖4所示，有3個電壓表和4個電流表。每個表需要一個電流變壓器或電壓變壓器(衰減電壓或電流)和一個ADC模擬輸入，將模擬電壓/電流信息轉換為數字數據。中央控制單元負責處理這些數據并進行相應的響應。與直流電源不同，無論負載如何，每相交流電壓和電流隨時間發生變化。因此，ADC必須同時采樣輸入，以正確計算瞬態功率。一種方案是采用7個獨立的ADC，每個電壓表或電流表一個；中央控制單元需要連接全部并行的ADC。但這種方法存在問題。這種方法中，要求控制器和ADC之間有許多控制線，造成電路板布局較大、結構復雜，難以優化性能。為提供大量IO，控制器封裝的尺寸可能也較大。有一種更好的解決方案：采用多通道ADC，這正是Petaluma子系統的解決方案。 確保高精度三相監測 高精度三相功率監測必須同時采樣全部模擬輸入，以高精度計算瞬態功耗。Petaluma (MAXREFDES30#)子系統參考設計(圖5)是高精度模擬輸入前端(AFE)。Petaluma采用16位精度和8通道操作，監測智能電網，同時收集三相模擬數據。每通道250ksps的高速采樣率支持±10V輸入信號，確保高精度捕獲故障事件，供電公司可在單個周期內立即采取措施。 Petaluma子系統也優化用于要求多路高速、高精度、同時采樣模擬輸入的應用，例如多相電機控制和工業振動檢測。 圖5.Petaluma (MAXREFDES30#)子系統參考設計電路板。 適用于配電自動化的低功耗、完備信號鏈AFE Petaluma子系統方框圖如圖6所示，接下來我們做進一步分析討論。 圖6. Petaluma子系統設計方框圖。 Petaluma采用兩片四路、超高精度超低噪聲運算放大器(MAX44252)，對±10V輸入信號進行衰減和緩沖，以匹配ADC (MAX11046)輸入范圍。運算放大器采用反相配置，所以信號的ADC輸入的信號極性是反相的。ADC轉換結果與電壓的關系式為：10-CODE/65536 × 20。 MAX11046為8通道、250ksps、16位、單電源供電、雙極性、同時采樣ADC。雖然ADC內部提供了4.096V電壓基準，如果Petaluma使用外部高精度電壓基準MAX6126，可提供更高精度。MAX6126的初始精度為0.02%，最大溫度系數(tempco)為3ppm/oC。 MAX1659和MAX8881穩壓器分別提供后端穩壓，產生5V和10V電源。MAX765 DC-DC反相器和LM337負壓LDO產生-10V電源。 Petaluma連接至FMC兼容現場可編程門陣列(FPGA)/微控制器開發板。子系統要求FMC連接器提供3.3V和12V。 針對ZedBoard平臺的固件 針對ZedBoard平臺發布的Petaluma固件支持Xilinx Zynq片上系統(SoC)內部的ARM Cortex-A9處理器。固件利用Xilinx SDK工具用C語言編寫，基于Eclipse開源標準。固件連接硬件、收集采樣并將其保存至存儲器。固件接收命令，配置ADC，以支持250ksps最大采樣率，通過虛擬COM端口將采樣數據下載至標準終端程序。對應的固件平臺文件包括代碼文檔。 性能測量 圖7和圖8所示為ADC采樣的FFT圖，以250ksps高采樣率獲得數據。這些動態測試結果表明，Petaluma子系統在信噪比和總諧波失真(THD)方面具有非常好的性能。 往往利用直流信號的直方圖確定ADC系統的噪聲。由于系統中存在噪聲，ADC產生的結果將在主值附近。轉換結果的分散性表示ADC的噪聲信息。圖9的直方圖表明，計算得到的標準方差為0.711，非常好。此外，97.7%的轉換結果在前三個中心主值之內。 注意，如要復現測試數據，要求精度高于被測件的信號源。為復現結果，必須采用低失真信號源。采用Audio Precision SYS-2722產生輸入信號。利用Mitov Software的SignalLab中的FFT控件產生FFT。 圖7.通道7 (AIN7)的交流FFT，采用板載電源；-10V至+10V、10kHz正弦波輸入信號；250ksps采樣率；Blackman-Harris窗；室溫。 圖8.通道7 (AIN7)的交流FFT，采用板載電源；-2.5V至+2.5V、10kHz正弦波輸入信號；250ksps采樣率；Blackman-Harris窗；室溫。 圖9.通道7 (AIN7)的直流直方圖，采用板載電源；0V直流輸入信號；250ksps采樣率；65536個采樣；編碼分散性為21 LSB，97.7%的編碼在三個中心LSB之內；標準偏差為0.711；室溫。 總結 當今的現代化智能電網是一套智能系統，可監測配電網絡，保證高效率供電，支持電網的新能源替代。這是全球成功智能電網的美好愿景和使命。該使命的核心是數據收集。智能電網必須以高精度監測三相配電網絡的功率，實時并且所有相同時進行。 Petaluma子系統支持更智能的電網管理，采用八路、16位、高速、同時采樣模擬輸入通道，以監測和測量三相系統電能。該子系統確保高精度捕獲故障事件，供電公司由此可在單周期內立即采取措施。 |
